CN110958362A - 基于分块查表的图像校正系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
基于分块查表的图像校正系统及其方法，包括PFGA模块、访存接口，片外存储器DDR，PFGA模块通过访存接口与片外存储器DDR相连；PFGA模块包括数据传输模块和查表校正模块，数据传输模块与查表校正模块相连。还包括一种基于分块查表的图像校正方法。本发明将校正输出图像划分为大小相同的多个矩形块，每块用块表信息记录该块输入图像矩形块大小和起始位置，同时坐标表按顺序记录每个输入图像矩形块像素待映射位置和双线性插值系数；随后在硬件实现中通过块表按块读取输入图像块全部像素和其所需的坐标，经过双线性插值输出图像；该方案消耗的片内缓存较少，校正过程简单高效易于硬件实现。
Description
技术领域
本发明涉及图像校正，具体是涉及一种基于分块查表的图像校正系统及其方法。
背景技术
图像标定主要是建立相机成像的几何模型并确定相机内外参数和畸变系数，是图像校正的首要工作。图像校正是将图像的像素点重新映射到一个新图像平面的形变过程，主要由校正前后图像坐标变换和像素插值计算两个基本操作完成。通常视频图像校正系统中只要相机模组固定不动后相机参数也就确定下来了，可通过一次离线标定计算出图像的内外参数，而图像校正需要每帧处理采集图像。图像校正过程坐标计算复杂，涉及到大量的高阶矩阵浮点乘法操作，在硬件中往往不会去实现这些复杂的运算逻辑。因而也可事先采用逆向映射方式计算出校正后图像每个像素对应待校正图像像素的坐标信息存于表中，利用查表方式实现图像硬件校正。
目前基于FPGA 的图像校正硬件实现设计通常将坐标表存储于片内缓存中逐行校正图像，这给片内存储带来了三个挑战：1）坐标表随着图像分辨率提高会急剧增大；2）图像宽度决定了行缓存的深度；3）相机畸变程度决定了行缓存宽度。
为了解决这几个问题，许多研究者提出了压缩坐标表和行存储来减轻片内存储压力。然而该方案消耗的存储资源在需要多镜头校正时，如双目立体匹配以及多镜头全景拼接等复杂算法中，仍然给FPGA 片内存储资源提出了更高要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种基于分块查表的图像校正系统及其方法，消耗的片内缓存较少，校正过程简单高效易于硬件实现。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于分块查表的图像校正系统，包括PFGA模块、访存接口，片外存储器DDR，PFGA模块通过访存接口与片外存储器DDR相连；所述PFGA模块包括数据传输模块和查表校正模块，数据传输模块与查表校正模块相连；
数据传输模块包括块表读取模块、片内块表存储器、输入图像块地址序列生成模块，块表读取模块与片内块表存储器相连，片内块表存储器与输入图像块地址序列生成模块相连；数据传输模块还包括输入图像块像素读取模块、片内图像块像素存储器、坐标表读取模块、片内坐标表存储器，输入图像块像素读取模块与输入图像块地址序列生成模块、片内图像块像素存储器连，坐标表读取模块与片内坐标表存储器相连；块表读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的块表信息；输入图像块像素读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的输入图像信息；坐标表读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的坐标表信息；
查表校正模块包括映射判断模块、双线性差值计算模块、片内输出存储器，映射判断模块分别与片内块表存储器、片内图像块像素存储器、片内坐标表存储器、双线性差值计算模块相连，双线性差值计算模块分别与片内坐标表存储器、片内输出存储器相连，片内输出存储器通过访存接口与片外存储器DDR相连，存入校正图像信息至片外存储器DDR中。
进一步，所述PFGA模块还包括控制切换模块，控制切换模块与数据传输模块、访存接口相连相连。
一种基于分块查表的图像校正方法，包括以下步骤：
（1）通过相机标定确定块表和坐标表；
（2）将输出图像划分为大小相同的多个矩形块，根据坐标表，将输出图像矩形块映射到输入图像，得到多个输入图像矩形块；用块表记录每块输入图像矩形块大小和首地址；
（3）根据块表和坐标表，将输出图像的矩形块中的每个像素点映射到输入图像对应的像素点P；
（4）根据输入图像对应的像素点P找到与像素点P邻域的4 个像素点；
（5）读取与像素点P邻域的4 个像素点的值，利用量化权重参数，经双线性插值算法计算出与像素点P对应的输出像素点的值。
进一步，所述块表包括输入图像矩形块的首地址、块高度、块宽度；坐标表包括输入图像与输出图像的映射坐标关系，输入图像与输出图像的映射坐标关系包括输入图像块行列地址、输出图像块行列地址、输入图像矩形块中像素点的行列坐标、输出图像矩形块中像素点的行列坐标、输出图像块行列地址、双线性插值系数。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明将校正输出图像划分为大小相同的多个矩形块，每块用块表信息记录该块输入图像矩形块大小和起始位置，同时坐标表按顺序记录每个输入图像矩形块像素待映射位置和双线性插值系数；随后在硬件实现中通过块表按块读取输入图像块全部像素和其所需的坐标，经过双线性插值输出图像；该方案消耗的片内缓存较少，校正过程简单高效易于硬件实现。
附图说明
图1是本发明实施例之基于分块查表的图像校正系统的结构示意图。
图2是图1所示实施例的数据传输模块的结构示意图。
图3是图1所示实施例的查表校正模块的结构示意图。
图4是图1所示实施例的系统工作状态图。
图5是图1所示实施例的数据传输模块的工作状态图。
图6是图5中状态1的示意图。
图7是图5中状态2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
当一套相机sensor 以及镜头固定后，图像内外参数也就固定下来了，因而经图像校正算法计算出的每一帧输出图像映射到输入图像坐标位置也就确定下来了。
本实施例之基于分块查表的图像校正方法包括以下步骤：
（1）通过相机标定确定块表和坐标表；块表包括输入图像矩形块的首地址、块高度、块宽度；坐标表包括输入图像与输出图像的映射坐标关系，输入图像与输出图像的映射坐标关系包括输入图像块行列地址、输出图像块行列地址、输入图像矩形块中像素点的行列坐标、输出图像矩形块中像素点的行列坐标、输出图像块行列地址、双线性插值系数；
（2）将输出图像划分为大小相同的多个矩形块，根据坐标表，将输出图像矩形块映射到输入图像，得到多个输入图像矩形块；用块表记录每块输入图像矩形块大小和首地址；
（3）根据块表和坐标表，将输出图像的矩形块中的每个像素点映射到输入图像对应的像素点P；
（4）根据输入图像对应的像素点P找到与像素点P邻域的4 个像素点；
（5）读取与像素点P邻域的4 个像素点的值，利用量化权重参数，经双线性插值算法计算出与像素点P对应的输出像素点的值。
参照图1，本实施例之基于分块查表的图像校正系统包括PFGA模块、访存接口，片外存储器DDR，PFGA模块通过访存接口与片外存储器DDR相连；PFGA模块包括控制切换模块、数据传输模块和查表校正模块，控制切换模块与数据传输模块相连，数据传输模块与查表校正模块相连；控制切换模块还与访存接口相连。
参照图2，数据传输模块包括块表读取模块、片内块表存储器、输入图像块地址序列生成模块，块表读取模块与片内块表存储器相连，片内块表存储器与输入图像块地址序列生成模块相连；数据传输模块还包括输入图像块像素读取模块、片内图像块像素存储器、坐标表读取模块、片内坐标表存储器，输入图像块像素读取模块与输入图像块地址序列生成模块、片内图像块像素存储器连，坐标表读取模块与片内坐标表存储器相连；块表读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的块表信息；输入图像块像素读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的输入图像信息；坐标表读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的坐标表信息。
参照图3，查表校正模块包括映射判断模块、双线性差值计算模块、片内输出存储器，映射判断模块分别与片内块表存储器、片内图像块像素存储器、片内坐标表存储器、双线性差值计算模块相连，双线性差值计算模块分别与片内坐标表存储器、片内输出存储器相连，片内输出存储器通过访存接口与片外存储器DDR相连，存入校正图像信息至片外存储器DDR中。
片外存储器DDR保存块表、坐标和输入图像、输出图像。访存接口为流式访存接口，PFGA 与片外存储器DDR 通过流式访存接口实现数据通信。
参照图4，数据传输模块复位后，块表读取模块首先将全部块表缓存到其自身的片内块表存储器中，此后在各块的校正处理过程中均需读取块表中的一项；输入图像块地址序列生成模块利用块表中记录的输入图像矩形块的首地址、块高度、块宽度等信息生成输入图像块地址序列，输入图像块像素读取模块根据输入图像块地址序列读取片外存储器DDR 中的输入图像块像素，并将的输入图像块像素缓存到片内图像块像素存储器中；坐标表读取模块依次从片外存储器DDR 中读入坐标表，并将坐标表缓存到片内坐标表存储器中。将输入图像块像素和坐标表输入到查表校正模块计算后，将双缓存后的校正图像块全部像素通过访存接口写回片外存储器DDR 的输出图形中。
查表校正模块的隐射判断模块首先根据块表记录的输入图像矩形块的块高度、块宽度来定义行缓冲器的长度；接着按行从片内图像块像素存储器中读取像素值，缓存两行用于双线性插值计算；同时从片内坐标表存储器中依次读取坐标表信息；校正时先读取缓存的第一个输入图像块像素值和坐标信息，映射判断模块根据坐标表中输入图像与输出图像的映射坐标关系判断该像素点与输出图像块有无映射关系。如果没有映射关系，跳过该像素值并读取下一个像素值。双线性差值计算模块利用坐标表读取输入图像块对应的像素点P以及与像素点P邻域的4 个像素点；根据像素点P对应的坐标表中存储的双线性插值系数完成2×2 的双线性插值计算，计算后的结果根据坐标表存储的输出图像块行列地址写到片内输出存储器中，这样就完成了该校正图像块的第一个像素值计算。
在计算过程中，根据坐标表的输入图像与输出图像的映射坐标关系来判断该输入图像像素点是否存在一对多映射。如果当前输入图像像素点只映射到输出图像块一个像素点，则读取下一个输入图像像素值和坐标，重复先前过程。若当前输入图像像素点映射到输出图像块多个像素点，则读取随后的多个坐标表完成输出图像像素多映射校正处理。对输出校正块的每一像素流水重复这一过程，从而完成对一个图像块的逐像素校正。当校正图像的所有分块执行完毕时，结束一帧图像的校正过程。
控制切换模块用于控制数据传输模块和查表校正模块对FPGA 片内存储器（片内块表存储器、片内图像块像素存储器、片内坐标表存储器、片内输出存储器）双缓存的访问。参照图5、6、7，在系统复位后，控制切换模块首先进入读取块表状态，待数据传输模块将块表全部读入片内存储器后才开始进行逐块的读写和查表校正过程。当进行图像第一块校正时，查表校正模块将校正结果写到片内输出存储器的第1 组输出图像存储器中，此时数据传输模块从第1 组输出图像存储器中读出该块全部像素值写回到片外存储器DDR。同时启动查表校正模块进行下一块校正，此时校正结果会写到第2组输出图像存储器中。当第1组输出图像块全部写回到片外存储器DDR 且第2 组输出图像块全部校正完毕后才切换到第2组输出图像块写回片外存储器DDR 和启动下一块校正写入第1 组储存器中。重复整个过程完成图像校正输出图像双缓存，使校正输出读写并行处理，加快图像校正硬件处理效率。
本发明将校正输出图像划分为大小相同的多个矩形块，每块用块表信息记录该块输入图像矩形块大小和起始位置，同时坐标表按顺序记录每个输入图像矩形块像素待映射位置和双线性插值系数。随后在硬件实现中通过块表按块读取输入图像块全部像素和其所需的坐标，经过双线性插值输出图像。该方案消耗的片内缓存较少，校正过程简单高效易于硬件实现。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种基于分块查表的图像校正系统，包括PFGA模块、访存接口，片外存储器DDR，PFGA模块通过访存接口与片外存储器DDR相连；其特征在于：所述PFGA模块包括数据传输模块和查表校正模块，数据传输模块与查表校正模块相连；
数据传输模块包括块表读取模块、片内块表存储器、输入图像块地址序列生成模块，块表读取模块与片内块表存储器相连，片内块表存储器与输入图像块地址序列生成模块相连；数据传输模块还包括输入图像块像素读取模块、片内图像块像素存储器、坐标表读取模块、片内坐标表存储器，输入图像块像素读取模块与输入图像块地址序列生成模块、片内图像块像素存储器连，坐标表读取模块与片内坐标表存储器相连；块表读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的块表信息；输入图像块像素读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的输入图像信息；坐标表读取模块通过访存接口与片外存储器DDR相连，读取片外存储器DDR内存储的坐标表信息；
查表校正模块包括映射判断模块、双线性差值计算模块、片内输出存储器，映射判断模块分别与片内块表存储器、片内图像块像素存储器、片内坐标表存储器、双线性差值计算模块相连，双线性差值计算模块分别与片内坐标表存储器、片内输出存储器相连，片内输出存储器通过访存接口与片外存储器DDR相连，存入校正图像信息至片外存储器DDR中。
2.如权利要求1所述的基于分块查表的图像校正系统，其特征在于：所述PFGA模块还包括控制切换模块，控制切换模块与数据传输模块、访存接口相连相连。
3.一种基于分块查表的图像校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过相机标定确定块表和坐标表；
（2）将输出图像划分为大小相同的多个矩形块，根据坐标表，将输出图像矩形块映射到输入图像，得到多个输入图像矩形块；用块表记录每块输入图像矩形块大小和首地址；
（3）根据块表和坐标表，将输出图像的矩形块中的每个像素点映射到输入图像对应的像素点P；
（4）根据输入图像对应的像素点P找到与像素点P邻域的4 个像素点；
（5）读取与像素点P邻域的4 个像素点的值，利用量化权重参数，经双线性插值算法计算出与像素点P对应的输出像素点的值。
4.如权利要求3所述的基于分块查表的图像校正方法，其特征在于：所述块表包括输入图像矩形块的首地址、块高度、块宽度；坐标表包括输入图像与输出图像的映射坐标关系，输入图像与输出图像的映射坐标关系包括输入图像块行列地址、输出图像块行列地址、输入图像矩形块中像素点的行列坐标、输出图像矩形块中像素点的行列坐标、输出图像块行列地址、双线性插值系数。
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